Dlaczego prawidłowe równoważenie ogniw jest konieczne w zestawach akumulatorów Komentarz autora: Anton Beck, kierownik ds. produktów akumulatorowych, Epec

Gdy zestaw baterii litowych jest zaprojektowany z wykorzystaniem wielu ogniw połączonych szeregowo, bardzo ważne jest zaprojektowanie funkcji elektronicznych w celu ciągłego równoważenia napięć ogniw.Ma to na celu nie tylko wydajność akumulatora, ale także optymalny cykl życia.

Zastosowanie równoważenia ogniw umożliwia nam zaprojektowanie baterii o większej pojemności do zastosowania, ponieważ równoważenie pozwala baterii osiągnąć wyższy stan naładowania (SOC).Wiele firm decyduje się nie stosować równoważenia ogniw na początku swojego projektu, co zmniejsza koszty, ale bez inwestycji w sprzęt i oprogramowanie do równoważenia ogniw projekt nie pozwala na zbliżenie SOC do 100 procent.

Co to jest brak równowagi komórkowej?
Jeśli ogniwa litowe są przegrzane lub przeładowane, są podatne na przyspieszoną degradację ogniw.Mogą się zapalić, a nawet eksplodować, ponieważ może wystąpić stan niekontrolowanej temperatury, jeśli napięcie ogniwa litowo-jonowego przekroczy 4,2 V nawet o kilkaset miliwoltów.

 

Każdy pakiet, który projektujemy i produkujemy w Epec, posiada obwód zabezpieczający przed przepięciami (czasami nawet zapasowy), który współpracuje ze standardowym równoważeniem ogniw, co zapobiegnie wystąpieniu takiego zdarzenia.W wieloogniwowym pakiecie baterii, który jest powszechnie stosowany w laptopach i sprzęcie medycznym, umieszczenie ogniw szeregowo stwarza możliwość nierównowagi ogniw, czyli wolniejszej, ale trwałej degradacji baterii.

Co to jest równoważenie komórek?
Równoważenie ogniw to proces wyrównywania napięć i stanu naładowania między ogniwami, gdy są one w pełni naładowane.Nie ma dwóch identycznych komórek.Zawsze występują niewielkie różnice w stanie naładowania, szybkości samorozładowania, pojemności, impedancji i charakterystyce temperaturowej.Dzieje się tak nawet wtedy, gdy ogniwa są tego samego modelu, tego samego producenta i tej samej partii produkcyjnej.Producenci sortują ogniwa według podobnego napięcia, aby było jak najbardziej zbliżone, ale nadal występują niewielkie różnice w impedancji poszczególnych ogniw, pojemności i szybkości samorozładowania, które mogą ostatecznie doprowadzić do rozbieżności napięcia w czasie.

Większość typowych ładowarek wykrywa pełne naładowanie, sprawdzając, czy napięcie całego ciągu ogniw osiągnęło punkt regulacji napięcia.Napięcia poszczególnych ogniw mogą się różnić, o ile nie przekraczają limitów ochrony przeciwprzepięciowej.Jednak słabe ogniwa (te o mniejszej pojemności / wyższej impedancji wewnętrznej) mają tendencję do wykazywania wyższego napięcia niż reszta ogniw szeregowych przy pełnym zakończeniu ładowania.Ogniwa te są następnie dalej osłabiane przez ciągłe cykle przeładowania.Wyższe napięcie słabszych ogniw po zakończeniu ładowania powoduje przyspieszoną degradację pojemności.Jeśli maksymalne zalecane napięcie ładowania zostanie przekroczone nawet o 10 procent, spowoduje to wzrost tempa degradacji o 30 procent.

Po stronie rozładowania słabe ogniwa mają zwykle niższe napięcie niż inne ogniwa, z powodu albo wyższej rezystancji wewnętrznej, albo szybszego tempa rozładowania, które wynika z mniejszej pojemności.Oznacza to, że jeśli którekolwiek ze słabych ogniw uderzy w ogniwo poniżej granicy ochrony napięciowej, gdy napięcie pakietu jest nadal wystarczające do zasilania systemu, pełna pojemność akumulatora nigdy nie zostanie wykorzystana, ponieważ zabezpieczenie pakietu zapobiegnie nadmiernemu rozładowaniu (które mogłoby uszkodzić ogniwo) poprzez zatrzymanie rozładowania całego pakietu, gdy napięcie jednego ogniwa spadnie poniżej progu podnapięciowego ogniwa (zwykle około 2,7 V).

Techniki równoważenia komórek
Podstawowe rozwiązanie równoważenia ogniw wyrównuje napięcie i stan naładowania między ogniwami, gdy są one w stanie pełnego naładowania.Równoważenie komórek jest zazwyczaj podzielone na dwa typy:

1. Bierny
2. Aktywny

Pasywne równoważenie komórek
Metoda pasywnego równoważenia komórek jest dość prosta i jednoznaczna.Rozładuj ogniwa rozpraszającą drogą obejściową.To obejście może być zintegrowane lub zewnętrzne w stosunku do układu scalonego (IC).Takie podejście jest korzystne w zastosowaniach niskonakładowych systemów.Fakt, że 100% nadwyżki energii z ogniwa o wyższej energii jest rozpraszane w postaci ciepła, sprawia, że ​​metoda pasywna jest mniej preferowana podczas rozładowywania ze względu na oczywisty wpływ na czas pracy akumulatora.

Aktywne równoważenie komórek
Aktywne równoważenie ogniw, które wykorzystuje pojemnościowe lub indukcyjne przenoszenie ładunku do przenoszenia ładunku między ogniwami akumulatora, jest znacznie bardziej wydajne, ponieważ energia jest przenoszona tam, gdzie jest potrzebna, zamiast być odprowadzana.Oczywiście kompromisem dla tej zwiększonej wydajności jest potrzeba dodatkowych komponentów po wyższych kosztach.

Streszczenie
Równoważenie ogniw jest ważne nie tylko ze względu na poprawę wydajności i cykli życia baterii, ale także zwiększa bezpieczeństwo baterii.Jedną z pojawiających się technologii zwiększających bezpieczeństwo baterii i wydłużających żywotność baterii jest zaawansowane równoważenie ogniw.Ponieważ nowe technologie równoważenia ogniw śledzą stopień równoważenia wymagany przez poszczególne ogniwa, wydłuża się żywotność akumulatorów i zwiększa się ogólne bezpieczeństwo akumulatorów.